苏州市职业大学
毕业设计
毕业设计题目基于AT89S51单片机的数字电压表设计
学院电子信息工程学院
专业班级10电气4班
姓名
学号
指导教师
2013年5月18日
基于51单片机的数字电压表设计
ii
摘 要
数字电压表简称DVM ，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表自从一九五二年问世以来,随着电子技术的飞跃发展,特别是目前,作为测量仪表、模拟指示仪表的数字化以及自动测量的系统,而得到了很大的发展。数字电压表是从电位差计的自动化这种想法研制出来的,因此即便是最初的数字电压表,其精度也要比模拟式仪表高,而其成本比电位差计也高。以后,DVM 的发展就着眼在高精度和低成本两个方面。单片机可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。本电路主要采用AT89S51芯片和ADC0809芯片来完成一个简易的数字电压表，能够对输入的0～5 V 的模拟直流电压进行测量，并通过一个4位一体的7段LED 数码管进行显示。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D 转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D 转换主要由芯片ADC0809来完成，它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由芯片AT89S51来完成，其负责把ADC0809传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；另外它还控制着ADC0809芯片的工作。
关键词： 单片机 数字电压表 AT89S51 A/D 转换 ADC0809
Abstract
Digital voltage meter DVM, It is the use of digital measurement technology, The continuous analog (DC input voltage) into discontinuous, discrete digital form and to display. Since 1952 since the advent of digital voltage meter, With the rapid development of electronic technology, At present, especially, As the digital measuring instrument, analog gauges and automatic measurement system, achieved great development. Digital voltage meter is developed from the potential difference that automation meter, Therefore even the first digital voltage meter, Its accuracy is compared to the analog meter high, the cost is higher than potential difference meter. The development of DVM, aimed at the high precision and low cost two aspects. SCM can be done alone modern industrial control intelligent control functions required, this is the biggest feature of SCM. The circuit mainly uses the AT89S51 chip and the ADC0809 chip to complete a simple digital voltage meter , can measure DC voltage to the input analog 0 ~ 5 V, And the 7 LED digital display through an integration of the 4 tube. The circuit of the voltage meter mainly consists of three modules: The A/D conversion module, data processing module and display control module. A/D conversion is mainly completed by the ADC0809, It is responsible to collect the analog conversion to digital quantity corresponding to the data processing module. Data processing is done by the AT89S51 chip, It is responsible for the digital ADC0809 transmission to the data processing and Generates code to display the display module to display the corresponding,It also controls the ADC0809 chip work
Keywords : SCM Digital Voltmeter AT89S51 A/D conversion ADC080
目录
摘要................................................................................................................................ i i Abstract . (iii)
第一章设计相关说明 (1)
1.1设计目的 (1)
1.2设计要求 (1)
1.3设计思路 (1)
1.4方案选择 (1)
第二章主要单元电路元件介绍 (3)
2.1 控制芯片AT89S51 (3)
2.1.1单片机引脚 (3)
2.1.2 主要性能参数 (4)
2.2模数转换芯片ADC0809 (5)
2.2.1 ADC0809的工作原理 (5)
2.2.2 ADC0809引脚功能 (6)
2.2.3 ADC0809内部结构 (7)
2.3 双D正沿触发器74LS74 (8)
2.4 SEG-MPX4数码管 (9)
第三章硬件电路设计分析 (11)
3.1电源部分 (11)
3.2 AD转换电路 (11)
3.3单片机最小系统设计 (12)
3.4数码管显示电路 (13)
第四章程序设计 (15)
4.1主程序设计 (15)
4.2 A/D转化程序设计框图 (16)
4.3显示模块程序框图 (17)
第五章Protues仿真 (18)
5.1软件简介 (18)
5.2硬件仿真 (19)
基于51单片机的数字电压表设计
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5.3调试结果分析 (20)
参考文献 (22)
附录A 电路原理图 (23)
附录B 程序代码 (24)
第一章设计相关说明
1.1设计目的
通过制作简易数字电压表，加深对所学专业知识的认识，提高分析、解决工程实际问题的能力，提高对单片机的应用能力，提高收集文献、资料的能力，从而达到综合运用所学的专业知识进行电子产品设计、制作与调试的能力。
1.2设计要求
基本功能:
1）能用数码管显示电压值
2）测量精度达0.05V
3）自制直流稳压电源
4）系统具备复位功能
1.3设计思路
根据设计的要求，我们通过Protues软件对硬件进行仿真设计，其中电压表设计模块包括：电压采集模块、A/D转换模块、主控模块、显示模块、电源模块。
1.4方案选择
控制与运算核心的选择：
应用AT89S51作为控制器。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。而且，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形
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成的），基本上没有驱动能力。
AD 转换的选择：
ADC0809是8位ADC 芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D 转换的
ADC0809由单一+5V 电源供电，片内有带锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0~5V 的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100us ；输出具有TTL 三台锁存缓冲器，可以直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0到5V 的双级性模拟信号进行转换。如图1-4数字电压表的设计框图。 P0 P1AT80C51
P3 P2LED 段选信号显示模
块LED 数
码管LED 位选信号数字量输入控制信号数据采集
ADC0809
模拟量输入
图1-4 数字电压表设计框图
第二章主要单元电路元件介绍
2.1 控制芯片AT89S51
2.1.1单片机引脚
图2-1-1 80C51引脚
总线型DIP40引脚封装
电源引脚（2个）
VCC：接+5V电源。
GND：接地端。
外接晶体引脚（2个）
XTAL1：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚接地）。
XTAL2：外接晶振输入端（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号输入端）。
并行输入/输出引脚（32个）
P0.0~P0.7：通用I/O引脚。
P1.0~P1.7：通用I/O引脚。
P2.0~P2.7：通用I/O引脚或数据低8位地址总线复用引脚。
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P3.0~P3.7：通用I/O 引脚或第二功能引脚（RXD 、TXD 、INT0、INT1、T0、T1、 WR 、RD ）。
控制引脚（4个）
RST/VPD ：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。
ALE/PROG ：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。
EA/VPP ：内、外存储器选择引脚/片内EPROM(或Flatiron)编程电压输入引脚。
PSEN ：片外程序存储器读选通信号输出引脚
2.1.2 主要性能参数
与MCS-51产品指令系列完全兼容；
4K 字节在系统编程(ISP)Flash 闪速存储器；
1000次擦写周期；
4.0～
5.5 V 工作电压范围；
全静态工作模式：0Hz ～33MHz ；
三级程序加密锁；
128字节内部RAM ；
32个可编程I/O 口线；
2个16位的定时/计数器；
6个中断源
全双工串行UART 通道；
低工耗空闲和掉电模式；
中断可从空闲模式唤醒系统；
看门狗(WDT)及双数据指针；
掉电标识和快速编程特性；
灵活的在系统编程(ISP-字节或页写模式)。
如图2-1-2 AT89S51芯片内部总体结构图。
图2-1-2 AT89S51芯片内部总体结构图
2.2模数转换芯片ADC0809
2.2.1 ADC0809的工作原理
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D 转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数
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字量输出到数据总线上。
2.2.2 ADC0809引脚功能
IN0~IN7：8个模拟量的输入端。
D0~D7：8位数字量输出端。
START ：启动A/D 转换，加正脉冲后A/D 转换开始。
EOC ：转换结束信号。转换开始时，EOC 信号变低电平；转换结束时，EOC 信号返回高电平。该信号可以作为CPU 查询A/D 转换是否完成的信号，也可以作为向CPU 发出中断申请的信号。
OE ：输出允许信号，输入高电平有效。OE 端的电平由低变高时，转换结果被送到数据线上。此信号有效时，CPU 可以从ADC0809中读取数据，同时也可以作为ADC0809的片选信号。
CLK ：实时时钟，频率范围为10KHZ~1280KHZ ，典型值为640KHZ 。
ALE:通道地址锁存允许信号，输入高电平有效。在ALE=1时，锁存ADDA~ADDC,选中模拟量输入。
ADDC~ADDC ：通道地址选择输入，其排列顺序从低到高依次为ADDA 、ADDB 、 ADDC 。该地址与8个模拟量输入，通道的对应关系如表1所示:
VREF+、VREF-正负参考电压。一般情况下，VREF+接+5V ,VREF-接地。 VCC\GND ：工作电源和接地
如图2-2-2 ADC0809引脚图。
图2-2-2 ADC0809引脚图
2.2.3 ADC0809内部结构
图2-2-3 ADC0809内部结构
ADC0809的内部结构如图2-2-3所示，它包含以下几部分：
（1）8路模拟量选择开关
根据地址锁存与译码装置所提供的地址，从8个输入的0V~5V 模拟量中选择一个输出。
（2）8位A/D 转换器
能对所选择的模拟量进行A/D 转换。
（3）3位地址码的锁存与译码装置
对所输入的3位地址码进行锁存和译码，并将地址选择结果送给8路模拟量选择开关。
（4）三态输出的锁存缓冲器
是TTL 结构，负责输出转换的最终结果。此结果可直接连接到单片机的数据总线上。
（5）图中多路模拟开关可选通8路模拟通道，允许8路模拟量分时输入，并共用一个A/D 转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A 、B 、C 三个地址
8位模拟开关 地址锁存与译码 8位A/D 转换器 三态输出锁存缓冲器 IN0
IN7
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
26 27 28 1 2 3 4 5 ADDA
ADDB
ADDC
ALE 25 24 23 22 6 10 START CLK 9
V+ V-
12 16 ADC0809 7 EOC 21 20 19 18 8 15 14 17 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 11 13
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位进行锁存与译码，如表2-2所示。
表2-2 ADC0809通道选择表
C(ADDC)
B(ADDB) A(ADDA) 选择的通道 0
0 0
IN0 0
0 1 IN1 0
1 0 IN
2 0
1 1 IN3 1
0 0 IN4 1
0 1 IN5 1
1 0 IN6 1
1 1 IN7
2.3 双D 正沿触发器74LS74
74LS74这个集成块是一个双D 触发器，其功能比较的多，可用作寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器等功能。
74LS74内含两个独立的D 上升沿双d 触发器，每个触发器有数据输入（D ）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP ）和数据输出（Q 、/Q ）。
、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当
、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D 数据在CP 上升沿作用下传送到输出端。
表2-3 74LS74引脚功能表 脚号
引脚代码 引脚功能 参数 备注 1
CLR1 复位信号 9.10/4.38 1、该集成块为14脚封装。 2、电源：14脚为+5.00V 。 3、复位：1脚、13脚。
4、主要用途：
2
D1 触发信号 ∞/4.71 3
CK1 时钟信号 9.10/4.91 4
PR1 控制 ∞/4.68 5
Q1 同相位输出 3.71/3.00 6
Q1 反相位输出 ∞/6.28 7
GND 地 0/0 8 Q2 反相位输出 ∞/6.28
9 Q2 同相位输出 3.71/3.00 双D触发器。
10 PR2 控制0.21/0.21
11 CLK2 时钟信号∞/4.20
12 D2 触发信号0.33/0.33
13 CLR2 复位信号9.10/4.38
14 Vcc 电源0.21/0.21
图2-3 74LS74引脚图
2.4 SEG-MPX4数码管
本实验的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管构成，用于显示测量到的电压值。它是一个共阳极的数码管。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和